JPH03125966A - 超音波探触子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波探触子装置に係わり、特に超音波顕微鏡
等の高周波の音波エネルギーを利用した装置に用いて好
適な超音波探触子を備えた超音波探触子装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の超音波顕微鏡用の超音波探触子の構造を第９図に
示す。超音波探触子は、音響レンズを構成するレンズ本
体１３と超音波発生用の圧電膜２、これに電力を供給す
る上部電極３、下部電極４とからなる。まず発振器６に
よってパルス波状又はバースト波状の電圧を発生させ、
これを圧電膜２に供給する。この電圧によって圧電膜が
振動し、ここから膜厚に対応した周波数の超音波が発生
する。この超音波はレンズ本体１３の凹状のレンズ面１
４によって絞られ、試料１０の表面または試料内部の音
響インピーダンスの異なる部分（例えばボイド、クラッ
ク等）によって反射され、再びレンズ本体１３のレンズ
面１４に返り、圧電膜２に検出される。この信号が受信
器７で増幅され試料１０の情報が得られる。

試料台９をＸ方向及びＹ方向にスキャンすることにより
、試料１０のある平面位置の情報が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

この従来の超音波探触子にあっては、次のような欠点が
あった。

（１）試料１０をセットし、焦点を合わせ、更に高い分
解能の超音波探触子に変更しようとするとき、元の観察
部分を探すのに非常に時間がかかる（特に４００．６０
０ＭＨ！用レンズ等）。

（２）超音波探触子を変更した時、再び最初から焦点合
わせ、位置合せから始めなければならないため、効率が
悪い。

本発明の目的は、異なる特性の超音波探触子への変更を
容易かつ効率的に行える超音波探触子装置を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、特性の異なる超音波探触子を複数個設けた
基板と、前記基板を所定量移動させ、前記特性の異なる
超音波探触子の任意の１つを選択する移動選択手段とを
設けることにより達成される。

〔作用〕

基板を所定量移動させることにより、基板上に設けられ
た特性の異なる複数個の超音波探触子の任意の１つが選
択されるので、異なる特性の超音波探触子への変更が容
易かつ効率的に行える。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例による超音波顕微鏡用の超音波
探触子装置を第１図〜第４図により説明する。

第１図及び第２図において、本実施例の超音波探触子装
置はホルダー２１に支持された単一のセンサブロック２
０を有し、このセンサブロック２０に使用周波数、分解
能又は使用目的など特性の異なる４個の超音波探触子２
２Ａ〜２２Ｄが設けられている。これら超音波探触子の
構造をそのうちの１つを例にとって説明すると、例えば
超音波探触子２２Ａは、センサブロック２０の一方の端
面に設けられた凹状の音響レンズ面５と、他方の端面の
音響レンズ面５に整合する位置に設置された超音波発生
用の圧電膜２、及びこれに電力を供給する上部電極３及
び下部電極４とからなっている。上部電極３及び下部電
極４は第４図に示す発振器６及び受信器７に接続され、
発振器６と受信器７の回路はサーキュレータ８により切
り換えられる。超音波探触子２２Ａ〜２２Ｄのレンズ面
５はホルダー２１の軸心を中心として同じピッチ円Ｐ上
に中心が位置するように配列されている。センサブロッ
ク２０の下方にはＸＹステージ９が設置され、その上に
試料１０が載せである。

センサブロック２０は単結晶Ｓｉからなり、これをレン
ズ素材としてエツチングによりレンズ面５を形成してい
る。このエツチングによる製法例では単結晶Ｓｔでなく
サファイア、石英、水晶、ＹＡＧ、ＹＩＧ等の音速が太
き（、素材内部の伝播ロスが少ない材料であればなんで
も良い。ただし、等方性エツチング（結晶軸方向によっ
てエツチング速度が僅かに異なる場合も含む）ができ、
レンズ面５の全面又は底面を中心として１／４〜２／３
の範囲が球面となることが必要である。

エツチングによってレンズ面５の球面形状を製作する場
合は、例えば１インチ〜２インチの単結晶ウェハー（例
えば１００面を使用する）を用意し、レンズ面形状に見
合ったガラスマスクを作成し、フォットリソグラフィー
工程を適用することにより、第２図に示す形状のレンズ
面５ができる。

Ｓｉののエツチング液は、例えばフッ酸、硝酸、酢酸の
混合液が考えられる。この場合、フッ酸、硝酸、酢酸の
混合比を変えることによりＳｉの結晶軸方向によってエ
ツチング速度を微妙に変えることができ、所望のエツチ
ング速度を得る混合比（例えばフッ酸：硝酸：酢酸＝１
：４：３）を用いることにより、レンズ面底面の球面の
割合を変えることができる。

本実施例では４個の超音波探触子２２Ａ〜２２Ｄに対応
して４種類のレンズ面５を形成したが、この数にはこだ
わらない。ただし、各レンズ面５の中心位置はピッチ円
Ｐの直径に一致させておく。

エツチングでレンズ面５を形成した後、レンズ面５と同
一軸線上の裏面に電極３．４と圧電膜２を成膜する。な
お、電極３，４及び圧電膜２はレンズ面５内に成膜して
もよく、こうすることにより伝播ロスを大きく減少でき
る。

以上のようにして４個の異なる超音波探触子２２Ａ〜２
２Ｄを製作した後、センサブロック２０の中心部にホル
ダ２１を係合する。

次に、第３図を参照して超音波探触子装置の制御系を説
明する。

ＸＹステージ１９はＸＹ力方向走査３０によりＸＹ力方
向スキャンされる。ホルダー２１はＺ方向走査部３１に
より２方向に移動され、パルスモータ３２で９０°ずつ
回転される。発振器６、受信器７、ＸＹ力方向走査３０
．２方向走査部３１及びパルスモータ３２はコントロー
ラ３３により制御される。また、受信器７の受信信号及
びＸＹ力方向走査３０の位置信号はコントローラ３３の
制御の基にスキャンコンバータ３４に送られ、更に表示
部３５に送られる。

以上のように構成された超音波探触子装置の動作を説明
する。

超音波探触子２２Ａ〜２２Ｄの１つ、例えば２２Ａが試
料１０上の観察位置にあるとする。この超音波探触子２
２Ａはコントローラ３３の制御の下に発振器６からパル
ス波状又はバースト波状の電圧を発生させ、これを圧電
膜２に供給する。この電圧によって圧電膜２が振動し、
ここから膜厚に対応した周波数の超音波が発生する。こ
の超音波は凹状の音響レンズ面５によって絞られ、集束
ビーム３６が形成される。この超音波は試料１０の表面
または試料内部の音響インピーダンスの異なる部分（例
えばボイド、クラック等）によって反射され、再びレン
ズ面５に返り、圧電膜２に検出される。この信号がコン
トローラ３３の制御の下に受信器７で増幅される。これ
と同時に、ＸＹ力方向走査３０はコントローラ３３によ
り駆動され、ｘＹステージ９をＸ方向及びＹ方向にスキ
ャンする。受信器７の増幅信号とこのＸＹ力方向走査３
０の位置信号はスキャンコンバータ３４に送られ、ここ
で画像メモリに記憶され、その後、表示部３５に表示さ
れる。このようにして試料１０の表面又は試料内部のあ
る平面位置の情報が得られる。

次いで、コントローラ３３からの指令によりパルスモー
タ３２を駆動し、ホルダー２１を９０゜ずつ回転させる
。こうすることにより超音波探触子２２Ａのレンズ（例
えば２００ＭＨｚ用）を使用して試料１０を観察した後
、別の超音波探触子例えば２２Ｄのレンズ（例えばＩＧ
Ｈｎ用）を使用して観察することができる。しかもこの
とき、試料１０は固定し動かさないから、観察の中心部
分は変わらない。

なお超音波探触子を交換するとき、レンズ面５の球径及
び周波数によって焦点距離が変化するので、コントロー
ラ３３により２方向走査部３１を制御し、ホルダー２１
を２方向に移動することにより、その焦点距離の変化を
調整する。

第４図はそのときコントローラ３３で行われる処理手順
を示す。即ち、まずレンズ（超音波探触子）の選定を行
い（ステップＳｌ）、選定されたレンズに対応するよう
焦点合わせを行う（ステップ８２）。次いで、選定され
たレンズで試料を観察した後、他のレンズを使うかどう
かを判定しくステップＳ３）、使う場合は焦点距離のチ
エツクを行い（ステップＳ４）、その結果に応じて２方
向走査部３１を駆動し、ホルダー２１及びセンサブロッ
ク２０を２方向に移動してレンズを焦点位置まで移動さ
せる。

以上、本実施例によれば、センサブロック２゜を回転さ
せることにより、特性の異なる任意の超音波探触子を連
続的に切り換えて使用できるので、分解能の大きく異な
る画像情報を一度に得ることができる。また、レンズ交
換時のわずられしさがなくなり、測定開始から終了まで
の時間が短くなり、効率的な測定ができる。

本発明の他の実施例を第５図及び第６図により説明する
。本実施例では、超音波探触子の配列が第１の実施例と
は異なる。即ち、センサブロック４０には４個−の異な
る特性の超音波探触子４１ａ〜４１Ｄが格子状に配列さ
れている。各超音波探触子の構造は前述のものと同じで
ある。センサブロック４０はその側面を挟持するホルダ
ー４２に支持され、ホルダー４２は、回転する代わりに
、超音波探触子４１Ａ〜４１Ｄ間のピッチ間隔Ｉｌｌ。

１２に相当する距離だけ相互に直交する２方向に移動で
きるようになっている。

本実施例によれば、センサブロック４０を回転させる機
構が必要なくなり、センサブロック４０を規定量移動さ
せるだけで、使用する超音波探触子を交換することがで
きる。

なお、以上の２つの実施例において、各超音波探触子の
下部電極４はセンサブロック全体に蒸着し、共通化して
もよい。

本発明の更に他の実施例を第７図及び第８図により説明
する。第７図の実施例は、前述の実施例のようにエツチ
ングによりレンズ面を製作した超音波探触子でなく、従
来の一般的な超音波探触子を用いたものである。センサ
ブロック５０に使用周波数の異なる４個の従来型の超音
波探触子５１Ａ、５１Ｂ（残りの２つは図示せず）を、
第５図及び第６図の実施例と同様に格子状に組み込みん
だものである。この場合、各超音波探触子の焦点位置を
合わせて組み込んでおいても良い。

本実施例によれば、既存の超音波探触子を有効利用でき
る。また、表面観察用、内部観察用、■（ｚ）曲線用箋
目的の異なる超音波探触子を使い分けることもできる。

第８図は、センサブロック６０に第５図の実施例と同様
エツチングにより形成されたレンズ面５をもつ特性の異
なる３個の超音波探触子６１Ａ〜６１Ｃを設けると同時
に、更に超小型の光学撮像素子６２を備えたＣＣＤカメ
ラ６３を組み込んだ実施例である。超音波探触子の代わ
りにＣＣＤカメラ６３を内蔵することにより、視覚情報
と超音波による２種類の情報が入手でき、例えば画像の
重ね合せ補正等、より広範囲な使い方ができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、特性の異なる超音波探触子を複数個設
けた基板を移動させることにより、所望の特性の超音波
探触子を選択するようにしたので、分解能の大きく異な
る画像情報が一度に得られ、試料の広範囲な観察が可能
になると共に、超音波探触子の交換のわずられしさがな
くなり、測定開始から終了までの時間を短縮でき、効率
的な測定ができる。

また、別体の音響レンズを有する超音波探触子を組み込
む構成にすることにより、既存の超音波探触子を有効利
用することができ、ＣＣＤカメラを組込むことにより、
視覚及び超音波による２種類の情報が同時に得られ、幅
広い解析が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による超音波探触子装置の探
触子部分の平面図であり、第２図は第１図のｎ−ｎ線に
沿った断面図であり、第３図はその超音波探触子装置の
制御系を示す概略図であり、第４図はその制御系のコン
トローラで行われる超音波探触子交換時の焦点距離合わ
せを行う手順を示すフローチャートであり、第５図は本
発明の他の実施例による超音波探触子装置の探触子部分
の平面図であり、第６図は第５図のＶＩ−ＶＩ線に沿っ
た断面図であり、第７図及び第８図はそれぞれ本発明の
更に他の実施例による超音波探触子装置の探触子部分の
断面図及び平面図であり、第９図は従来の超音波探触子
の断面図である。 符号の説明 ２０・・・センサブロック（基板） ２２Ａ〜２２Ｄ・・・超音波探触子 ３２・・・パルスモータ（移動選択手段）３３・・・コ
ントローラ（移動選択手段）４０．５０．６０・・・セ
ンサブロック（基板）４１Ａ〜３１Ｄ、６１Ａ〜６１Ｃ
・・・超音波探触子５１Ａ、５１Ｂ・・・（従来型）超
音波探触子６２・・・光学撮像素子 ６３・・・ＣＣＤカメラ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）特性の異なる超音波探触子を複数個設けた基板と
   、前記基板を所定量移動させ、前記特性の異なる超音波
   探触子の任意の１つを選択する移動選択手段とを有する
   ことを特徴とする超音波探触子装置。
2. （２）前記複数個の超音波探触子が、前記基板を構成す
   る単一のセンサブロックにエッチングにより形成された
   特性の異なるレンズ面を有する超音波探触子であること
   を特徴とする請求項１記載の超音波探触子装置。
3. （３）前記センサブロックの材質がＳｉであることを特
   徴とする請求項２記載の超音波探触子装置。
4. （４）前記複数個の超音波探触子が、前記基板を構成す
   る単一のホルダに組み込まれた特性の異なる別体の音響
   レンズを有する超音波探触子であることを特徴とする請
   求項１記載の超音波探触子装置。
5. （５）前記ホルダーに、更に光学撮像装置を組み込んだ
   ことを特徴とする請求項４記載の超音波探触子装置。